Verbesserung industrieller chemischer Reaktionen mit besseren Produkten und weniger Nebenprodukten

Heterogene Photokatalyse kann helfen, Produkte und Nebenprodukte chemischer Reaktionen nachhaltig zu kontrollieren, einschließlich der Reduzierung von CO₂

03.06.2022 - China

Die Kontrolle der Produkte und Nebenprodukte einer chemischen Reaktion wird als Selektivität bezeichnet. Wissenschaftler versuchen, bessere Wege zu finden, um die Selektivität in industriellen chemischen Reaktionen zu kontrollieren, um die Qualität der chemischen Produkte zu verbessern, verschwenderische Nebenprodukte zu reduzieren und schädliche Nebenprodukte, wie die Emission von nutzlosem CO₂, zu verringern. Es gibt verschiedene katalytische Verfahren, die Wissenschaftler bei chemischen Reaktionen einsetzen können. Die heterogene Katalyse hat jedoch viele Vorteile gegenüber den anderen, da sie kontinuierlich betrieben werden kann und leichter skalierbar ist. Die Forscher wollten herausfinden, ob sie auch zur Verbesserung der Selektivität bei industriellen chemischen Reaktionen beitragen kann.

Durch den Einsatz der heterogenen Photokatalyse konnten die Forscher zeigen, wie sich Produkte und Nebenprodukte chemischer Reaktionen nachhaltig und einfach kontrollieren lassen. Unter heterogener Photokatalyse versteht man die Nutzung von Licht bei chemischen Reaktionen, bei denen sich der Katalysator und der Reaktor in unterschiedlichen Phasen befinden. Diese Technik ist für Forscher besonders interessant, weil die erforderlichen Bedingungen sehr mild sind.

Die Technik und ihre Auswirkungen auf die Selektivität in der organischen Synthese wurden in einem Artikel beschrieben, der am 12. Mai in Nanoforschung Energie.

"Unabhängig davon, welche Art von katalytischen Systemen eingesetzt wird, dominiert vor allem im Bereich der organischen Synthese immer ein wichtiger Bewertungsindikator: die Selektivität der gewünschten Produkte. Eine hohe Selektivität sorgt nicht nur für eine hohe Reinheit der Endprodukte, sondern senkt auch die Kosten für die Entfernung von Nebenprodukten", so der Autor der Studie, Yitao Dai, Professor am Suzhou Institute for Advanced Research an der University of Science and Technology of China in Suzhou, China. "Im Gegensatz dazu führt eine unerwünschte Überoxidation oder Überreduktion zu minderwertigen Produkten, Koksablagerungen oder sogar zur Mineralisierung mit der Emission von nutzlosem CO₂. Daher ist es ein zentrales und wichtiges wissenschaftliches Thema in der organischen Chemie, wie man die Selektivität präzise steuern kann."

Die Forscher zeigten, wie die heterogene Photokatalyse verschiedene organische Umwandlungen in verschiedenen Branchen verbessern kann. Die Zellstoff- und Papierindustrie ist beispielsweise ein bekannter Verursacher von Umweltverschmutzungen, und eine Ursache dieser Verschmutzung ist ein Nebenprodukt namens Lignin. In der Zellstoff- und Papierindustrie fallen jährlich etwa 50 Millionen Tonnen ligninhaltiger Nebenprodukte an, von denen nur 2 % zurückgewonnen und wiederverwendet werden können. Die Forscher haben gezeigt, wie die heterogene Photokatalyse Lignin unter milden Bedingungen abbauen kann.

Die Verringerung der Umweltkosten industrieller chemischer Reaktionen ist ein wichtiger Beweggrund für diese Art von Forschung. "Angesichts des aktuellen globalen Themas der Entwicklung von CO₂-Reduktion und nachhaltiger Energienutzung kann die heterogene Photokatalyse ein vielversprechendes Protokoll zur Kontrolle der Selektivität bei organischen Umwandlungen mit reduziertem Energieverbrauch sein", so Dai. "Sie ermöglicht eine nachhaltige Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie unter milden Bedingungen und bietet einzigartige Reaktionswege für eine verbesserte Selektivitätskontrolle. Ein Vorteil der heterogenen Photokatalyse sind die milden Bedingungen, die zur Durchführung der chemischen Reaktionen verwendet werden können. Dazu gehören die Verwendung von Luft als Oxidationsmittel, eine milde Raumtemperatur und die Verwendung von Umgebungsdruck. Dies macht diese Technik im Vergleich zu anderen einfacher.

Mit Blick auf die Zukunft denken die Forscher über die Auswirkungen einer breiteren Anwendung dieser Technik nach. Das ultimative Ziel der Forscher ist die Schaffung einer künstlichen photosynthetischen Pflanze. Dies würde eine nachhaltige, kontinuierliche Produktion von organischen Verbindungen mit Hilfe heterogener photokatalytischer Systeme ermöglichen. Diese Methode wäre billig, effektiv und würde das Sonnenlicht nutzen. In der Zwischenzeit muss jedoch noch mehr Forschung betrieben werden. "Auf dem Gebiet der organischen Synthese mittels heterogener Photokatalyse sollte sich die Forschung mehr und mehr auf zwei Aspekte konzentrieren. Erstens auf bestehende, schwierige Reaktionen. Zweitens: neue organische Reaktionen", sagte Dai. "Wir gehen davon aus, dass das Design neuartiger Reaktionswege, die auf den katalytischen Eigenschaften von Photokatalysatoren basieren, eine Lösung für einige recht schwierige organische Synthesen bieten kann, indem Produkte mit hoher Regioselektivität oder Asymmetrie erzeugt werden."

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